一种环境监测用浮标及其集群控制方法

本发明属于环境监测，具体为一种环境监测用浮标及其集群控制方法。

背景技术：

1、清洁和优美的水环境是经济与民生可持续发展的重要基础。传统的水环境指标评估主要采用人工或定点浮标采集，存在采样主观、时空覆盖度低、预报时间滞后、人力物力投入大等缺点。目前水环境的密集时空序列监测技术尚缺乏，极大地制约了如水圈碳足迹标定、生物多样性宏基因组采样、新污染物溯源等国际热点研究的发展，同时也限制了我国新一代水环境监测系统与评估体系的建立。环境监测用浮标是一种常见的用于航道、湖泊、水库等水域的水环境监测工具，而现有的用于监测环境的浮标装置稳定性不够、智能机动性与协同作业能力不足，容易受外部环境载荷如风、浪的冲击造成摇摆甚至倾翻，从而影响装置的正常运行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种环境监测用浮标及其集群控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种环境监测用浮标及其集群控制方法，包括移动浮标本身机构和多智能体规划系统，所述移动浮标本身机构包括有：螺旋桨模块、环境传感监测模块、水流侧线传感模块、gps模块、rgbd模块、可展开的太阳能充电板模块、雨量风速传感器、浮力调节模块等模块组成，所述多智能体规划系统包括有充电系统和回收决策系统。

3、优选地，所述螺旋桨模块主要由三个水下螺旋桨组成，通过不同螺旋桨的正反转和转速大小，达到直线行走、实现最小转弯半径的功能。

4、优选地，所述环境传感监测模块，主要由集成式的环境传感器组成，可周期性地定量对水质环境的离子和化学量进行监测。

5、优选地，所述水流侧线传感模块，主要由在舱体外面布置的多个压力传感器组成，多传感器之间形成的压力场，从而帮助浮标辨别周围的流场速度数据，达到感知周围水下速度场变化趋势，从而调节浮力装置和推进器功率等调节加速度大小来更省能量地调整运动轨迹。

6、优选地，所述gps模块主要由gps芯片，可实时获得浮标和水质环境监测量的经纬度信息。

7、优选地，所述rgbd模块主要由深度相机组成，其可监控障碍物和没电回收时位置推算。

8、优选地，所述可展开的太阳能充电板模块，由可随太阳升起角度倾斜的太阳能追踪器和太阳能板组成，在阳光充足且直射情况下，太阳板可彻底展开，提供能源。

9、优选地，所述雨量风速传感器主要提供雨量监测，基本原理为监测水的阻抗信息和风速，如果遇到暴雨等天气，可提前预测出，并可指导浮标的结构变化。

10、优选地，所述浮力调节模块主要由双向泵和气囊组成，当遇到强干扰天气时，如强降雨和强风时，可利用调节浮力将吃水深度加大。

11、优选地，所述多智能体规划系统，主要依靠全局规划和动态二次规划算法，主要为多智能体回收和应急充电问题提供解决方案。

12、优选地，所述充电系统在工作的时候，当发现浮标群中有低电量的浮标a电量接近报警值时，其邻域范围内搜索电量最多的浮标b，浮标b会伸出电池的正负两个电极，与此同时，浮标a，会根据浮标b地伸出的机械臂中的电极杆的位置，进行主动调整位姿，最终插入到锥形卡槽中，然后浮标b进行放电，直到浮标a有一定的电量。

13、优选地，所述回收决策系统在工作的时候，当浮标群中，有单个浮标由于不可抗力原因失灵或者需要回收的情况，采取1对1或者多对1的策略。利用充电系统中所提到的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能。

14、本发明的有益效果如下：

15、1、本发明通过提出针对强干扰天气和环境下的具有结构变化功能的浮标装置和控制方法，例如，当浮标外部监测到较强的风力和流速时，为节省能量，智能浮标可以根据环境中的干扰量对吃水模式进行改进，进而减少与空气流动的有效面积有效地减少了空气阻力，而当风力逐渐变小时，浮标则自动回到普通的吃水深度，从而方便进行移动。

16、2、本发明通过在多浮标的情况下，提出集群内部能量补充策略，例如，当发现浮标群中有低电量的浮标a电量接近报警值时，其邻域范围内搜索电量最多的浮标b，浮标b会伸出电池的正负两个电极，与此同时，浮标a，会根据浮标b地伸出的机械臂中的电极杆的位置，进行主动调整位姿，最终插入到锥形卡槽中，然后浮标b进行放电，直到浮标a有一定的电量，从而完成了能量的补充。

17、3、本发明通过设置回收系统，从而当浮标群中，有单个浮标由于不可抗力原因失灵或者需要回收的情况，采取1对1或者多对1的策略，利用策略3中伸出的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能。

18、4、本发明通过设置可展开的太阳板追随模式，通过光敏传感器充分合理地利用太阳能作为供电能源，当太阳光的入射角度不同时，可通过光敏传感器传递信号给太阳能板控制电机，从而控制太阳能板的俯仰角度随着太阳光的入射角度发生改变。

技术特征：

1.一种环境监测用浮标及其集群控制方法，包括移动浮标本身机构和多智能体规划系统，其特征在于：所述移动浮标本身机构包括有：螺旋桨模块(1)、环境传感监测模块(2)、水流侧线传感模块(3)、gps模块(4)、rgbd模块(5)、可展开的太阳能充电板模块(6)、雨量风速传感器(7)、浮力调节模块(8)等模块组成，所述多智能体规划系统包括有充电系统和回收决策系统。

2.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述螺旋桨模块(1)主要由三个水下螺旋桨组成，通过不同螺旋桨的正反转和转速大小，达到直线行走、实现最小转弯半径的功能，所述环境传感监测模块(2)，主要由集成式的环境传感器组成，可周期性地定量对水质环境的离子和化学量进行监测。

3.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述水流侧线传感模块(3)，主要由在舱体外面布置的多个压力传感器组成，多传感器之间形成的压力场，从而帮助浮标辨别周围的流场速度数据，达到感知周围水下速度场变化趋势，从而调节浮力装置和推进器功率等调节加速度大小来更省能量地调整运动轨迹。

4.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述gps模块(4)主要由gps芯片，可实时获得浮标和水质环境监测量的经纬度信息，所述rgbd模块(5)主要由深度相机组成，其可监控障碍物和没电回收时位置推算。

5.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述可展开的太阳能充电板模块(6)，由可随太阳升起角度倾斜的太阳能追踪器和太阳能板组成，在阳光充足且直射情况下，太阳板可彻底展开，提供能源。

6.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述雨量风速传感器(7)主要提供雨量监测，基本原理为监测水的阻抗信息和风速，如果遇到暴雨等天气，可提前预测出，并可指导浮标的结构变化。

7.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述浮力调节模块(8)主要由双向泵和气囊组成，当遇到强干扰天气时，如强降雨和强风时，可利用调节浮力将吃水深度加大。

8.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述多智能体规划系统，主要依靠全局规划和动态二次规划算法，主要为多智能体回收和应急充电问题提供解决方案。

9.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述充电系统在工作的时候，当发现浮标群中有低电量的浮标a电量接近报警值时，其邻域范围内搜索电量最多的浮标b，浮标b会伸出电池的正负两个电极，与此同时，浮标a，会根据浮标b伸出的机械臂中的电极杆的位置，进行主动调整位姿，最终插入到锥形卡槽中，然后浮标b进行放电，直到浮标a有一定的电量。

10.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述回收决策系统在工作的时候，当浮标群中有单个浮标由于不可抗力原因失灵或者需要回收的情况，采取1对1或者多对1的策略。利用充电系统中所提到的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能和智能移动监测功能。

技术总结
本发明属于环境监测技术领域，且公开了一种环境监测用浮标及其集群控制方法，包括移动浮标本身机构和多智能体规划系统，所述移动浮标本身机构包括有：螺旋桨模块、环境传感监测模块、水流侧线传感模块、GPS模块、RGBD模块、可展开的太阳能充电板模块、雨量风速传感器、浮力调节模块等模块组成。本发明通过提出针对强干扰天气和环境下的具有结构变化功能的浮标装置和控制方法，例如，当浮标外部监测到较强的风力和流速时，为节省能量，智能浮标可以根据环境中的干扰量对吃水模式进行改进，进而减少与空气流动的有效面积有效地减少了空气阻力，而当风力逐渐变小时，浮标则自动回到普通的吃水深度，从而方便进行移动。浮标集群能够实现分布式地移动监测和集群内部的充放电和救援功能。

技术研发人员：梁敖铭,李瑞鹏,范迪夏
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13